利用锥型换能器的宽带低损耗声表面波滤波器设计

分析锥型换能器的基本原则是把换能器沿孔径方向划分成足够多的通道来进行近似,设计制作的关键是加权技术和数据处理技巧。由于SPUDT的特性,把EWC型的SPUDT引入到锥型换能器对制作宽带、低损耗器件是十分有用的;我们在Y128°LN基片上采用一般型和SPUDT型锥型换能器制作了相对带宽约15%的声表面波滤波器,一个换能器采用“块加权”,另一个换能器采用抽指加权。文中给出了两种器件的实验结果,SPUDT型声表面波滤波器的插损仅7.5dB。     

基于ANSYS提取单相单向换能器耦合模参数

基于有限元理论,给出了基于ANSYS提取单相单向换能器（Single Phase Unidirectional Transducers,SPUDT）耦合模参数的方法。首先,结合声表面波在压电介质中的传播原理,给出了压电有限元分析方程和对应的ANSYS分析步骤。然后针对SPUDT结构,给出了周期性近似分析的理论模型,利用耦合场分析对其进行模态分析和谐响应分析,最后结合两者的结果来计算SPUDT的耦合模参数。本文给出基底材料为压电晶体128°YX-LiNbO₃和YZ-LiNbO₃,电极材料为铝的三种不同SPUDT的计算结果,理论结果与Hashimoto和Hartmann文献报道的结果相吻合,并且和实验测试的结果基本一致。从而给出了提取SPUDT耦合模参数的一种通用、有效的方法。     

应用于无线传感器的声表面波反射型延迟线的耦合模分析

基于耦合模理论对一种应用于无线传感器的声表面波(SAW)反射型延迟线的性能进行了优化模拟分析。结合混合等效电路模型推导出评价这种器件性能的时域反射系数S₁₁。典型的SAW反射型延迟线包含置于压电基片之上的一个换能器与沿声波传播方向设置的多个反射器。讨论了器件性能的各种结构性影响因素如换能器结构以及反射器类型等,并以此获得优化的器件设计参数。在理论优化分析的基础上,以41°YX LiNbO₃为压电基片,结合铝电极试验制作了采用单向单相换能器(SPUDT)与3个短路栅反射器的440 MHz SAW反射型延迟线器件,并与理论分析结果予以对比与评价分析。     

分布式本征型法布里-珀罗传感器的研究

本文介绍了一种单模-多模-单模结构的本征型法布里-珀罗传感器, 通过对传感器中渐变型多模光纤的光场分布进行分析和仿真, 实现了传感器腔长的优化设计, 大大降低了插入损耗, 增强了传感器复用能力. 实验证明串联复用中的单个传感器的优化后的插入损耗从4 dB减少至0.83 dB, 多个级联复用时损耗变化平缓, 温度测试结果表明级联的12个传感器均具有较好的灵敏度和线性度.     

电容式射频微机电系统开关损耗机制（英文）

插入损耗是射频微机电系统(RF MEMS)开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件,对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分:信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算,同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真,数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外,对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析,结果表明,高阻抗的衬底、200μm左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗,提高开关的射频性能。     

电容式射频微机电系统开关损耗机制

插入损耗是射频微机电系统 (RF MEMS) 开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件,对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分:信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算,同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真,数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外,对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析,结果表明,高阻抗的衬底、200 m左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗,提高开关的射频性能。     

开缝压电圆环深海水听器

利用能量法得到了开缝压电圆环水中的谐振频率方程与电导纳曲线;通过构建开缝压电圆环低频接收状态等效电路图,推导了开缝压电圆环低频开路电压灵敏度;比较开缝压电圆环和整体圆环低频接收灵敏度,提出了利用开缝压电陶瓷圆环与溢流结构相结合设计深海水听器的思路;通过建立溢流式开缝压电圆环有限元仿真模型,探讨了开缝压电圆环的低频开路电压灵敏度与圆环结构参数的关系。经过仿真优化,研制了水中谐振频率600 Hz的开缝压电圆环深海水听器。水池声学测试与耐压测试结果表明,溢流式开缝压电圆环水听器在100~300 Hz频段内低频开路电压灵敏度最大值为-193.2 dB,最小值-197.9 dB,起伏-4.7 dB,耐静水压30 MPa;与采用相同尺寸压电元件的溢流圆环水听器相比,溢流式开缝压电圆环水听器的低频开路电压灵敏度提高20 dB;验证了本文提出的采用开缝压电圆环构建深海水听器的实用性。     

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

电容式射频微机电系统开关损耗机制

插入损耗是射频微机电系统 (RF MEMS) 开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件,对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分：信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算,同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真,数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外,对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析,结果表明,高阻抗的衬底、200 m左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗,提高开关的射频性能。     

谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响

研究了谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响。构建无液膜负载和有液膜负载下压电基片和金属指条结构的三维有限元模型,利用有限元方法提取不同周期结构的耦合模参量,结合P矩阵级联技术,推导出传感器灵敏度随检测器腔体结构改变的变化关系。实验制备了两种三换能器结构的声表面波谐振器,其输入换能器与输出换能器间距离分别为22.25倍波长和1.25倍波长,通过测试甲基膦酸二甲酯气体,验证理论计算结果。结果表明:缩短谐振器的谐振腔长度使器件中心处能量更为集中,有效地提高了声表面波气相色谱仪灵敏度。     

Development of two-port surface acoustic wave resonator with Al/Au electrodes for gas sensing

Simple and efficient surface acoustic wave(SAW)two-port resonators with low insertion loss and high Q-values on ST-X quartz substrate using a corrosion-proof A1/Au-stripe electrode structure are developed for gas sensing.It was composed of two shorted grating reflectors and adjacent intedigital transducers(IDT),and an active metal film in the cavity between the IDTs for the sensitive film coating.The devices are expected to provide good protection towards metal electrode for gas sensors application in chemically reactive environments.Excellent device performance as low insertion loss,high Q factor and single-mode are achieved by carefully selecting the metallic electrode thickness,cavity length and acoustic aperture.Prior to fabrication,the coupling of modes(COM)model was performed for device simulation to determine the optimal design parameters.The fabricated single-mode SAW resonator at operation frequency of 300 MHz range exhibits matched insertion loss of~6.5 dB and loaded Q factor in the 3000 range.Using the fabricated resonator as the feedback element,a dualresonator-oscillator with excellent frequency stability(0.1 ppm)was developed and evaluated experimentally,and it is significant for performance improvement of SAW gas sensor.     

应用于气体传感器的具有铝/金电极的单模式两端对声表面波谐振器

为改善气体传感器性能,通过器件优化设计获得了一种应用于气体传感器的具有低损耗、高品质因子(Q)的单模式两端对声表面波(SAW)谐振器。该谐振器由两个换能器、分置于换能器两边的短路栅反射器以及在换能器之间分布的用于敏感膜镀膜的约2.5mm金属薄层构成。谐振器采用铝/金双层电极以降低测试气体环境的腐蚀影响。利用经典耦合模(COM)理论对器件性能进行了仿真以提取优化的结构设计参数。基于仿真结果,实验研制了基于300MHz频率的新型铝/金电极SAW两端对谐振器,测试结果显示所研制器件具有较低损耗(〈7dB),较高Q值(-3000)以及单一谐振模式的特点,并且,以所研制的新型谐振器为频率控制单元的谐振器型振荡器表现出良好的频率稳定度(t15Hz/h),这对于改善气体传感器的检测下限及稳定性等性能指标具有重要意义。     

超小型声表面波谐振器

传统声表面波谐振器中的指条反射阵占据了器件的大部分尺寸。由于剪切横波(SH wave)在材料基片的自由端面反射时不产生模式转换,因此可望利用自由端面来代替SH型声表面波谐振器中的指条反射阵,实现超小型低损耗的新型声表面波谐振器。本文首先用COM理论对新结构的谐振器进行了讨论,并且在实验上实现了120MHz至440MHz的几个单端谐振器(ST36°石英基片),其插入损耗从0.87dB至1.29dB,面积缩小到传统谐振器的50％至25％。     

High frequency shear horizontal plate acoustic wave devices

It has been shown recently that shear horizontal acoustic waves propagating in piezoelectric plates whose thickness h is much less than the acoustic wavelength λ possess a number of attractive properties for use in sensor and signal processing applications. In order to exploit the potential benefits of these waves, however, one needs to fabricate devices on very thin plates. We have developed a suitable fabrication method which can be used to realize devices on such thin plates. In this method, the device is first fabricated on a plate of normal thickness (approximately 500 μm) and the substrate is then lapped from the back side to reduce the thickness. The technique has been utilized to realize devices on plates of thickness less than 70 μm. A shear horizontal plate acoustic wave (SH-PAW) delay line of fundamental resonant frequency greater than 25 MHz and insertion loss less than 7 dB has been realized on a 60 μm thick Y – cut, X – propagation lithium niobate substrate. The device also shows strong response near the third harmonic frequency of 75 MHz.     

基于AlN声表面波滤波传感器器件的有限元仿真

声表面波器件是一种利用压电材料的压电效应与逆压电效应工作电子器件, 文章首先详细描述了声表面波器件的设计与仿真过程,运用有限元分析的方法分别计算了利用声表面波的 SAW 器件与利用体波的 BAW 器件的性能与各项参数,对相关的器件进行了计算分析,分别用上述方法研究了基于 AlN 薄膜的声表面波器件和悬臂梁结构的体波器件,推导得出了器件的电学导纳与频率之间的关系, 通过分析器件的导纳-频率曲线,推导出器件内部声波的模式以及合适的工作频率,最终得出在 IDT 周期为 8 微米的情况下,SAW 器件的理想工作频率是 0.7-1.95GHz,BAW 器件的理想工作频率在 0.6-3.2GHz 的结果。     

Development of SH-SAW sensors for underwater measurement

We developed SH (shear horizontal) surface acoustic wave (SAW) sensors to detect protein molecules in liquid solutions applying a particular antibody thin film on the delay line of transverse SAW devices. The antibody investigated was human-immuno-globulin G (HigG) to hold the antigens (anti-HigG) in the protein solution to be measured. The sensor showed stable response to the mass loading effects of the anti-HigG molecules with the sensitivity up to 10.8 ng/ml/Hz.     

Acousto-optic interaction with leaky surface acoustic waves in Y-cut LiTaO3 crystals

The acousto-optic interaction with leaky surface acoustic wave radiation into the bulk of YX-cut LiTaO₃ crystals has been investigated. The light incidence and diffraction angles corresponding to the strongest acousto-optic interaction were calculated and measured as functions of the acoustic wave frequency. The dependencies of the diffracted light intensity on the amplitude of radio-frequency voltage applied to the interdigital transducer (IDT) were studied. Our acousto-optic measurements revealed generation, by the IDTs, of slow shear bulk acoustic waves propagating at different angles depending on their frequency. A secondary acousto-optic interaction from the bulk waves radiated by the receiving IDT has been studied.     

磁控溅射制备ZnO薄膜及其声表面波特性

通过射频磁控溅射技术在GaAs，Au/GaAs，Si和玻璃基片上成功制备了ZnO多晶薄膜，利用X射线衍射对ZnO薄膜的取向、结晶性进行了表征，结果表明ZnO薄膜呈完全c轴取向，Au缓冲层可以有效地改善ZnO薄膜的晶体质量，X射线摇摆曲线结果表明ZnO(002)衍射峰的半高宽仅为2.41°，同时发现Au缓冲层的结晶质量对ZnO薄膜的c轴取向度有很大影响，通过扫描电子显微镜对ZnO/GaAs和ZnO/Au/GaAs薄膜的表面形貌进行了观测，利用网络分析仪对IDT/ZnO/GaAs薄膜的声表面波特性进行了测量. 关键词： ZnO薄膜 X射线衍射 声表面波     

Sniffing lung cancer related biomarkers using an oxidized graphene SAW sensor

Decane is one of the volatile organic compounds (VOCs) in human breath. Successful detection of decane in human breath has vast prospects for early lung cancer diagnosis. In this paper, a novel detecting device based on a filter surface acoustic wave (SAW) gas sensor is presented. SAW sensors coated with a thin oxidized graphene film were used to detect decane in parts per million (ppm) concentrations. Control and signal detection circuits were designed using a vector network analyzer with a detection resolution of insertion loss down to 0.0001 dB. The results showed that the SAW sensor could respond quickly with great sensitivity when exposed to 0.2 ppm decane. This device shows tremendous potential in medical diagnosis and environmental assessment.     

Wi-Fi频段体声波滤波器的设计

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰,设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后,将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数,以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标,使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中,为了使仿真结果更加精确,采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真,并与Mason 等效电路模型仿真结果对比,结果表明,滤波器性能有所下降,带内插损增大1.6 dB,带内纹波增大1.1 dB,带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。